CN211335659U - 基于混合储能的电气化铁路牵引供电系统 - Google Patents

基于混合储能的电气化铁路牵引供电系统 Download PDF

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金成日
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Abstract

本申请公开了一种基于混合储能的电气化铁路牵引供电系统,包括电源单元、混合储能单元与牵引网单元;所述混合储能单元包括容量型储能设备和功率型储能设备,其中,所述容量型储能设备包括液流电池,所述液流电池采用双联结构,将直流转换为交流;所述功率型储能设备采用锂电池、超级电容器,所述电源单元为混合储能单元充电,混合储能单元通过单相/三相交流母线为牵引网单元供电。采用混合储能单元汇聚风、光等多种清洁电能,实现了电网与牵引网的松耦合,实现了弱网甚至无网地区电气化铁路牵引供电系统的经济建设与清洁供电,解决了现有牵引供电系统附带给电网和电气化铁路牵引网的诸多不利影响,引领了我国铁路绿色发展。

Description

基于混合储能的电气化铁路牵引供电系统
技术领域
本实用新型涉及一种基于混合储能的电气化铁路牵引供电系统,属于铁路网领域。
背景技术
电气化铁路交通是实现我国区域经济一体化、跨区域经济发展的协同化、解决不同地区社会经济发展不平衡性的重要支撑。但现有电网与牵引供电系统耦合紧密,相互影响大,存在诸多问题,具体如下:
(一)现有牵引供电系统给电网侧带来的不利影响
(1)现有电气化铁路牵引网和电网架构下,无法利用高压电网以外的其他类型电源电能。
(2)牵引网沿线配置的众多电分相设备投资巨大,运维成本高。
(3)建设电气化铁路高压电网配套设施繁杂、工程投资大、建设周期长、土地占用多、生态影响严重。
(4)电力机车为大功率、不对称、脉冲式的单相负荷,不仅严重影响220kV/110kV高压电网的电能质量(负序、谐波、功率因素),而且增加电网调峰压力。
(二)现有牵引供电系统给铁路侧带来的不利影响
(1)牵引供电系统过渡依赖网架坚强高压电网,导致电网薄弱地区(如川藏、青藏等地区)电气化铁路建设难度大、代价高,严重影响我国铁路电气化技术的推广。
(2)现有电铁牵引系统运行的可靠性、连续性与安全性完全取决于电网系统,一旦电网发生故障,会给电气化铁路运营带来重大负面影响。
有鉴于此,本发明人对此进行研究,专门开发出一种基于混合储能的电气化铁路牵引供电系统,本案由此产生。
发明内容
本实用新型的目的是提供一种基于混合储能的电气化铁路牵引供电系统,采用混合储能单元汇聚风、光等多种清洁电能,实现了电网与牵引网的松耦合,实现了弱网甚至无网地区电气化铁路牵引供电系统的经济建设与清洁供电,解决了现有牵引供电系统附带给电网和电气化铁路牵引网的诸多不利影响。
为了实现上述目的,本实用新型的解决方案是:
基于混合储能的电气化铁路牵引供电系统,包括电源单元、混合储能单元与牵引网单元;所述混合储能单元包括容量型储能设备和功率型储能设备,其中,所述容量型储能设备包括液流电池,所述液流电池采用双联结构,将直流转换为交流;所述功率型储能设备采用锂电池、超级电容器,所述电源单元为混合储能单元充电,混合储能单元通过单相/三相交流母线为牵引网单元供电。
作为优选,所述液流电池采用双联结构,具体为:每一标准化液流电池对应设有一台双向DC-DC变流器,每两台双向DC-DC变流器与一台DC/AC变流器(PCS)相连,每台DC/AC变流器的低压侧通过分裂牵引变压器低压绕组实现与27.5kV单相/三相交流母线能量的交换。
作为优选,所述锂电池、超级电容与DC/AC变流器(PCS)相连,每台DC/AC变流器的低压侧通过分裂牵引变压器低压绕组实现与27.5kV单相/三相交流母线能量的交换。
作为优选,所述电源单元至少包括分散式风电机组、分布式光伏组中的一种;所述风散式风电机组、分布式光伏组组成直流微网或交流微网协同为混合储能单元充电。
作为优选,所述电源单元还包括第三电源,所述第三电源包括燃料电池组、柴油机、小水电组、0.4kV配电网和/或27.5kV高压电网,所述燃料电池组与制氢设备相连,通过制氢设备产生电能。
作为优选,当所述风散式风电机组、分布式光伏组、第三电源组成交流微网时,所述电气化铁路牵引供电系统还包括升压变压器,将电源单元输出的低压交流升压到27.5kV,并通过27.5kV三相交流母线为混合储能单元充电。
作为优选,所述液流电池包括全钒液流电池、锌溴液流电池或铁铬液流电池。
作为优选,所述锂电池包括碳酸锂电池、磷酸铁锂电池或锰酸锂电池。
本实用新型所述的基于混合储能的电气化铁路牵引供电系统,利用混合储能单元阻隔了牵引网与电网的直接联系,实现了电网与牵引网的松耦合,消除了现有牵引供电系统给高压电网带来的负序、谐波、功率因素等电能质量影响;摆脱了对高压电网的过渡依赖,可根据电气化铁路建设地的风光等自然禀赋及其他便利电源,灵活组成多源异构能量供给系统,利用储能“全时汇聚、按需释放”的能量迁移技术特性,实现薄弱网架甚至无网架下的牵引供电网安全、可靠、持续的供电,同时解决现有电气化铁路牵引供电系统的诸多不利问题。根据混合储能单元的运行状态,所述牵引供电系统可以划分3种运行工况:
(1)储能放电模式(按需)。当主控监测到供电臂有机车通过且处于牵引状态时,此时多个储能设备协同出力(如电源系统中有配电网或者高压电网,则此时与相连的开关断开,避免影响电网电能质量,风电、光伏或燃料电池等设备可为继续为储能充电),满足电力机车用电需求。
(2)储能充电模式(全时)。当主控系统监测到供电臂无机车通过或运行于惰行状态时,电源单元各电源为混合储能单元小电流均衡充电;当主控系统监测到供电臂机车运行于制动状态时,电源单元各电源(如电源系统包含配电网或高压电网,连接开关断开,处于热备用状态,不为混合储能单元充电)为混合储能单元小电流均衡充电,同时混合储能单元回收电力机车制动能量。
(3)储能辅助服务模式(根据计划)。当电源单元组成部分包含配电网或者高压电网、且电网需要调峰、调频、调压等辅助服务时,所述牵引供电系统在满足机车供电需求的前提下,混合储能单元可根据电网下达的计划出力曲线与电网智能互动,为电网提供辅助服务。
以下结合附图及具体实施例对本实用新型做进一步详细描述。
附图说明
图1为实施例1的基于混合储能的电气化铁路牵引供电系统拓扑结构图(单相);
图2为实施例1双级联式结构示意图;
图3为实施例2的基于混合储能的电气化铁路牵引供电系统拓扑结构图(共直流母线结构三相);
图4为实施例3的基于混合储能的电气化铁路牵引供电系统拓扑结构图(共交流母线结构三相)。
具体实施方式
实施例1
本实施例为单相牵引供电系统,基于混合储能的电气化铁路牵引供电系统,如图1所示,包括电源单元1、混合储能单元2与牵引网单元2。所述电源单元1为混合储能单元3充电,混合储能单元2通过单相交流母线为牵引网单元3供电。
所述电源单元1为多源异构,包括n台分散式风电机组11、n套分布式光伏组12和n套燃料电池组13,所述燃料电池组13与制氢设备14相连,通过制氢设备14产生电能。所述n台分散式风电机组11、n套分布式光伏组12和n套燃料电池组13组成直流微网结构协同为混合储能单元2充电。电源单元1除分散式风电机组11、分布式光伏组12和燃料电池组13外,还可以根据实际环境采用柴油机、小水电组、0.4kV配电网和/或27.5kV高压电网。所述燃料电池组13、柴油机、小水电组、0.4kV配电网和/或27.5kV高压电网等作为第三电源。
所述混合储能单元2包括n套容量型储能设备2a和m套功率型储能设备2b,其中,所述容量型储能设备2a包括n套液流电池21,所述液流电池21可以采用全钒液流电池、锌溴液流电池或铁铬液流电池。每一套容量型储能设备2a包括两套液流电池21、两套双向DC-DC变流器22、两台DC/AC变流器23(PCS)及一台单相分裂牵引变压器24(单相双分类牵引变压器)。所述液流电池21采用双级联式结构,如图2所示,每一标准化液流电池21对应设有一台双向DC-DC变流器22,每两台双向DC-DC变流器22与一台DC/AC变流器23(PCS)相连,每台DC/AC变流器23的低压侧通过单相分裂牵引变压器24低压绕组实现与27.5kV单相交流母线能量的交换。因为液流电池21直流电压低,采用双级联式结构便于交流低压侧开关等设备选型,提高变流器综合效率,实际工程应用较为优化。
所述功率型储能设备2b可以采用锂电池/超级电容器25,所述锂电池可以采用碳酸锂电池、磷酸铁锂电池或锰酸锂电池。因为锂电池/超级电容器25直流电压较高,所述锂电池/超级电容器25采用单级式结构,每套功率型储能设备2b包括2套锂电池/超级电容器25、2台DC/AC变流器23、1台单相分裂牵引变压器24。所述锂电池/超级电容25与DC/AC变流器23(PCS)相连,每台DC/AC变流器23的低压侧通过单相分裂牵引变压器24低压绕组实现与27.5kV单相交流母线能量的交换。
电化学储能因响应速度快、布置灵活便利、施工周期短、产业链配套成熟等优势工程应用广泛,不同类型电池独具各自特点。其中,液流电池具有循环寿命长、容量配置灵活、安全性高等优点,锂离子电池/超级电容则具有充放电功率大、低温特性好、成本低等优点。采用两种储能设备协同配合,可以实现混合储能单元大功率、长时间的充放电,并优化混合储能单元运行寿命。风电机组、光伏、燃料电池等清洁发电机组技术趋于成熟,工程成功运行经验丰富。本实用新型利用混合储能单元阻隔了牵引网与电网的直接联系,实现了电网与牵引网的松耦合,消除了现有牵引供电系统给高压电网带来的负序、谐波、功率因素等电能质量影响;采用混合储能单元汇聚风、光等清洁电能,实现了弱网甚至无网地区电气化铁路牵引供电系统的经济建设与清洁供电,解决了现有牵引供电系统附带给电网和电气化铁路牵引网的诸多不利影响,引领了我国铁路绿色发展。
实施例2
本实施例为电源单元1采用共直流母线结构的三相牵引供电系统,基于混合储能的电气化铁路牵引供电系统,如图3所示,包括电源单元1、混合储能单元2与牵引网单元3。所述电源单元1为混合储能单元2充电,混合储能单元2通过三相交流母线为牵引网单元3供电。
所述电源单元1为多源异构,包括n台分散式风电机组11、n套分布式光伏组12和n套燃料电池组13,所述燃料电池组13与制氢设备14相连,通过制氢设备14产生电能。所述n台分散式风电机组11、n套分布式光伏组12和n套燃料电池组13组成直流微网结构协同为混合储能单元2充电。电源单元1除分散式风电机组11、分布式光伏组12和燃料电池组13外,还可以根据实际环境采用柴油机、小水电组、0.4kV配电网和/或27.5kV高压电网。所述燃料电池组13、柴油机、小水电组、0.4kV配电网和/或27.5kV高压电网等作为第三电源。
所述混合储能单元2包括n套容量型储能设备2a和m套功率型储能设备2b,其中,所述容量型储能设备2a包括n套液流电池21,所述液流电池21可以采用全钒液流电池、锌溴液流电池或铁铬液流电池。每一套容量型储能设备2a包括两套液流电池21、两套双向DC-DC变流器22、两台DC/AC变流器23(PCS)及一台三相分裂牵引变压器26(三相双分类牵引变压器)。所述液流电池21采用双级联式结构,如图2所示,每一标准化液流电池21对应设有一台双向DC-DC变流器22,每两台双向DC-DC变流器22与一台DC/AC变流器23(PCS)相连,每台DC/AC变流器23的低压侧通过三相分裂牵引变压器26低压绕组实现与27.5kV三相交流母线能量的交换。因为液流电池21直流电压低,采用双级联式结构便于交流低压侧开关等设备选型,提高变流器综合效率,实际工程应用较为优化。
所述功率型储能设备2b可以采用锂电池/超级电容器25,所述锂电池可以采用碳酸锂电池、磷酸铁锂电池或锰酸锂电池。因为锂电池/超级电容器25直流电压较高,所述锂电池/超级电容器25采用单级式结构,每套功率型储能设备2b包括2套锂电池/超级电容器25、2台DC/AC变流器23、1台三相分裂牵引变压器26。所述锂电池/超级电容25与DC/AC变流器23(PCS)相连,每台DC/AC变流器23的低压侧通过三相分裂牵引变压器26低压绕组实现与27.5kV三相交流母线能量的交换。
实施例3
本实施例为电源单元1采用共交流母线结构的三相牵引供电系统,基于混合储能的电气化铁路牵引供电系统,如图4所示,包括电源单元1、混合储能单元2与牵引网单元3。所述电源单元1为混合储能单元2充电,混合储能单元2通过三相交流母线为牵引网单元3供电。
所述电源单元1为多源异构,包括n台分散式风电机组11、n套分布式光伏组12和n套燃料电池组13,所述燃料电池组13与制氢设备14相连,通过制氢设备14产生电能。所述n台分散式风电机组11、n套分布式光伏组12和n套燃料电池组13组成交流微网结构协同为混合储能单元2充电。电源单元1输出的低压交流通过升压变压器4升压到27.5kV,并通过27.5kV三相交流母线为混合储能单元充电。
电源单元1除分散式风电机组11、分布式光伏组12和燃料电池组13外,还可以根据实际环境采用柴油机、小水电组、0.4kV配电网和/或27.5kV高压电网。所述燃料电池组13、柴油机、小水电组、0.4kV配电网和/或27.5kV高压电网等作为第三电源。
所述混合储能单元2包括n套容量型储能设备2a和m套功率型储能设备2b,其中,所述容量型储能设备2a包括n套液流电池21,所述液流电池21可以采用全钒液流电池、锌溴液流电池或铁铬液流电池。每一套容量型储能设备2a包括两套液流电池21、两套双向DC-DC变流器22、两台DC/AC变流器23(PCS)及一台三相分裂牵引变压器26(三相双分类牵引变压器)。所述液流电池21采用双级联式结构,如图2所示,每一标准化液流电池21对应设有一台双向DC-DC变流器22,每两台双向DC-DC变流器22与一台DC/AC变流器23(PCS)相连,每台DC/AC变流器23的低压侧通过三相分裂牵引变压器26低压绕组实现与27.5kV三相交流母线能量的交换。因为液流电池21直流电压低,采用双级联式结构便于交流低压侧开关等设备选型,提高变流器综合效率,实际工程应用较为优化。
所述功率型储能设备2b可以采用锂电池/超级电容器25,所述锂电池可以采用碳酸锂电池、磷酸铁锂电池或锰酸锂电池。因为锂电池/超级电容器25直流电压较高,所述锂电池/超级电容器25采用单级式结构,每套功率型储能设备2b包括2套锂电池/超级电容器25、2台DC/AC变流器23、1台三相分裂牵引变压器26。所述锂电池/超级电容25与DC/AC变流器23(PCS)相连,每台DC/AC变流器23的低压侧通过三相分裂牵引变压器26低压绕组实现与27.5kV三相交流母线能量的交换。
本实用新型所述的基于混合储能的电气化铁路牵引供电系统,摆脱了对高压电网的过渡依赖,可根据电气化铁路建设地的风光等自然禀赋及其他便利电源,灵活组成能量供给系统,利用储能“全时汇聚、按需释放”的能量迁移技术特性,实现薄弱网架甚至无网架下的牵引供电网安全、可靠、持续的供电,同时解决现有电气化铁路牵引供电系统的诸多不利问题。根据混合储能单元的运行状态,所述牵引供电系统可以划分3种运行工况:
(1)储能放电模式(按需)。当主控监测到供电臂有机车通过且处于牵引状态时,此时多个储能设备协同出力(如电源系统中有配电网或者高压电网,则此时与相连的开关断开,避免影响电网电能质量,风电、光伏或燃料电池等设备可为继续为储能充电),满足电力机车用电需求。
(2)储能充电模式(全时)。当主控系统监测到供电臂无机车通过或运行于惰行状态时,电源单元各电源为混合储能单元小电流均衡充电;当主控系统监测到供电臂机车运行于制动状态时,电源单元各电源(如电源系统包含配电网或高压电网,连接开关断开,处于热备用状态,不为混合储能单元充电)为混合储能单元小电流均衡充电,同时混合储能单元回收电力机车制动能量。
(3)储能辅助服务模式(根据计划)。当电源单元组成部分包含配电网或者高压电网、且电网需要调峰、调频、调压等辅助服务时,所述牵引供电系统在满足机车供电需求的前提下,混合储能单元可根据电网下达的计划出力曲线与电网智能互动,为电网提供辅助服务。
本实用新型所述的基于混合储能的电气化铁路牵引供电系统,具有如下优点:
一、对铁路侧的益处
(1)颠覆了电气化铁路牵引系统传统供电模式,根据不同地区风光水等自然禀赋和电网架构,利用混合储能单元对多类异型电源(多源异构)“全时汇聚、按需释放”的能量时间迁移技术特性,以定制化方式设计牵引供电系统的供电方案,实现电网薄弱甚至无网地区电铁牵引供电系统的经济建设。
(2)电源类型与储能类型选取广泛、组合自由,可以完全独立于电网,就地利用风光水等自然禀赋实现电气化铁路系统能量供给的自洽性,电气网架配置集约精简,提高了电气化铁路建设的灵活性。
(3)所述牵引供电系统布置分散化、设备单元化、控制集中化,电源单元与混合储能单元配置冗余度较高,牵引供电的连续性、可靠性及安全性较高。
(4)所述牵引供电系统电气组成结构灵活多样。多类异型电源可搭建成直流/交流微网为混合储能系统充电,混合储能单元则可采用单相/三相的牵引供电系统,支撑机车/动车组正常运行,具体实际工程可按需构建牵引供电系统结构。
(5)可实现清洁推动高铁,促进了新能源/可再生能源与铁路融合发展,提高了牵引供电系统的持续稳定性和对能源供给条件和环境的适应性,完善了我国电气化铁路技术体系,引领了电气化铁路绿色发展,为电网薄弱甚至无网地区建设运营电气化铁路提供了可行性的解决方案。
二、对电网侧的益处
(1)利用储能阻隔了牵引网与电网的直接联系,实现了电网与牵引网的松耦合,消除了现有牵引供电系统给高压电网带来的负序、谐波、功率因素等电能质量影响。
(2)无需架设220kV高压输电线路及高压牵引变电站,减少与之相关的一二次电气设备,降低土地征用面积,大幅降低工程造价、缩短工程周期、减小后期运维成本。
(3)所述牵引供电系统兼具牵引变电站和储能电站功能,实现了两者功能“合二为一”,不仅可以满足机车用电需求,也可以为电网提供调峰、调频、调压等辅助服务,提高了电网的调节裕度,促进了电网高比例清洁能源的构建。
(4)所述牵引供电系统中的电源单体容量较小,多类异型电源实时协同为混合储能单元小电流均衡充电(益于延长储能系统寿命,提高变压器利用率),混合储能单元则汇聚各类电源电能,待机车运行于牵引状态时集中释放,满足大功率、冲击性机车负荷的供电,以小博大,实现了小电源为大功率、间歇性负荷安全可靠持续的供电。
(5)所述混合储能单元可以作为电铁牵引供电系统的紧急供电电源,亦可作为电网的黑启动电源。
(6)所述牵引供电系统供电绿色清洁、环境友好,提高了清洁能源发电的比例。
(7)所述牵引供电系统可以实现风电发电单元、光伏发电单元、其他电源发电单元(可由燃料电池/柴油机/电网组成)、混合储能单元功率与容量等电气的优化协调配置,在保证牵引供电系统供电可靠性、安全性的前提下,提高各电源单元与混合储能单元的利用率,大幅降低系统设备的投资及后期运维成本。
(8)所牵引供电系统述实现了液流电池与超级电容器/锂离子电池的技术优势互补、电气参数优化匹配。液流电池承担机车/动车组基础负荷,超级电容器/锂离子电池则实时平抑机车/动车组与液流电池之间的功率差额,这种互补配置避免了液流电池频繁深度放电,保证了液流电池运行寿命,进而保证了混合储能单元的运行寿命,同时也避免了混合储能单元的过量冗余配置,降低了投资成本与运维投入。具体实际工程中也可用其他容量型储能和功率型储能分别替代液流电池和超级电容器/锂离子电池。
以上所述,以上实施例仅用以说明本申请的技术方案,而非对其限制;尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明,本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分技术特征进行等同替换;而这些修改或者替换,并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.基于混合储能的电气化铁路牵引供电系统,其特征在于:包括电源单元、混合储能单元与牵引网单元;所述混合储能单元包括容量型储能设备和功率型储能设备,其中,所述容量型储能设备包括液流电池,所述液流电池采用双联结构,将直流转换为交流;所述功率型储能设备采用锂电池、超级电容器,所述电源单元为混合储能单元充电,混合储能单元通过单相/三相交流母线为牵引网单元供电。
2.如权利要求1所述的基于混合储能的电气化铁路牵引供电系统,其特征在于:所述液流电池采用双联结构,具体为:每一标准化液流电池对应设有一台双向DC-DC变流器,每两台双向DC-DC变流器与一台DC/AC变流器相连,每台DC/AC变流器的低压侧通过分裂牵引变压器低压绕组实现与27.5kV单相/三相交流母线能量的交换。
3.如权利要求1所述的基于混合储能的电气化铁路牵引供电系统,其特征在于:所述锂电池、超级电容与DC/AC变流器相连,每台DC/AC变流器的低压侧通过分裂牵引变压器低压绕组实现与27.5kV单相/三相交流母线能量的交换。
4.如权利要求1所述的基于混合储能的电气化铁路牵引供电系统,其特征在于:所述电源单元至少包括分散式风电机组、分布式光伏组中的一种;所述风散式风电机组、分布式光伏组组成直流微网或交流微网协同为混合储能单元充电。
5.如权利要求4所述的基于混合储能的电气化铁路牵引供电系统,其特征在于:所述电源单元还包括第三电源,所述第三电源包括燃料电池组、柴油机、小水电组、0.4kV配电网和/或27.5kV高压电网,所述燃料电池组与制氢设备相连,通过制氢设备产生电能。
6.如权利要求5所述的基于混合储能的电气化铁路牵引供电系统,其特征在于:当所述风散式风电机组、分布式光伏组、第三电源组成交流微网时,所述电气化铁路牵引供电系统还包括升压变压器,将电源单元输出的低压交流升压到27.5kV,并通过27.5kV三相交流母线为混合储能单元充电。
7.如权利要求1所述的基于混合储能的电气化铁路牵引供电系统,其特征在于:所述液流电池包括全钒液流电池、锌溴液流电池或铁铬液流电池;所述锂电池包括碳酸锂电池、磷酸铁锂电池或锰酸锂电池。
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